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第2問

xx、yy、zz を、いずれも 11 とは異なり xyz=1xyz=1 を満たす実数とする。x2(x−1)2+y2(y−1)2+z2(z−1)2≥1,\frac{x^2}{(x-1)^2}+\frac{y^2}{(y-1)^2}+\frac{z^2}{(z-1)^2}\ge 1, が成り立つことを証明し、さらに等号が無限に多くの有理数の組 xx、yy、zz で成立することを証明せよ。
ステップ 1/5: a = x/(x-1) と置き、目標の和を平方和に変換する
a=xx−1, b=yy−1, c=zz−1  ⟹  x=aa−1, y=bb−1, z=cc−1a=\frac{x}{x-1},\ b=\frac{y}{y-1},\ c=\frac{z}{z-1} \implies x=\frac{a}{a-1},\ y=\frac{b}{b-1},\ z=\frac{c}{c-1}
詳しい解説

a=xx−1a=\frac{x}{x-1}、b=yy−1b=\frac{y}{y-1}、c=zz−1c=\frac{z}{z-1} と定義すると、目標の和はちょうど a2+b2+c2a^2+b^2+c^2 となる。各置き換えは可逆であり、a=xx−1a=\frac{x}{x-1} より a(x−1)=xa(x-1)=x、すなわち x(a−1)=ax(a-1)=a となるので x=aa−1x=\frac{a}{a-1}(y,zy,z も同様)。特に a=1a=1 とすると x=x−1x=x-1 となり不可能なので、a,b,c≠1a,b,c\ne1 は自動的に成り立つ。